Estudo de primeiros princípios de nanofios em arseneto de índio e fosfeto de índio

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2011
Autor(a) principal: Santos, Cláudia Lange dos
Orientador(a): Não Informado pela instituição
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Tese
Tipo de acesso: Acesso aberto
dARK ID: ark:/26339/0013000008g46
Idioma: por
Instituição de defesa: Universidade Federal de Santa Maria
BR
Física
UFSM
Programa de Pós-Graduação em Física
Programa de Pós-Graduação: Não Informado pela instituição
Departamento: Não Informado pela instituição
País: Não Informado pela instituição
Palavras-chave em Português:
Link de acesso: http://repositorio.ufsm.br/handle/1/3895
Resumo: In this work we used the density functional theory to study InAs and InP nanowires and InAs/InP nanowire heterostructures. Initially we studied the structural, electronic and mechanical properties of InAs and InP nanowires as a function of the diameter and the influence of external mechanical stress on the electronic properties of these systems. Our results show that all analyzed properties change with increasing quantum confinement. Further, the application of an external stress along the nanowire axis reveals a direct to indirect band gap transition for compressive strain in very thin nanowires. We have also studied the quantum confinement effects on the effective masses of charge carriers in InAs nanowires grown in different crystallographic directions. We found the electron and hole effective masses increase with decreasing diameter independently of the growth direction. However, in the range of the studied diameters, the hole effective mass is significantly smaller to the corresponding one at the bulk system. From the study of the stability and electronic properties of the cadmium and zinc doped InAs nanowires, we show that the Cd impurity prefers to be at the core region, whereas Zn impurity is found to be equally distributed along the nanowire diameter. The analysis of the electronic properties of these systems show that these impurities introduce shallow acceptor levels in the band gap, enabling a p-type behavior of these nanowires. Finally, we determined (i) the structural, electronic and mechanical properties of axially and radially modulated InAs/InP nanowire heterostructures for a specific diameter and (ii) the structural and electronic properties of radial InAs/InP nanowire heterostructures as a function of the diameter and composition. From (i), our calculations showed the analyzed properties have an intermediate value between those for the pure InAs and InP nanowires with similar diameters. In particular, the presence of an InP shell covering the InAs nanowires enhances the InAs electron mobility, as compared to the uncapped InAs nanowires. In addition, for the radial heterostructure, the conduction and the valence band alignments favor a type-I heterojunction, while for the axial heterostructure a transition from a type-I to a type-II heterojunction could occur at this range of diameters. From (ii), we observed that for nanowire heterostrutures of similar diameters, the variation of their structural and electronic properties with the composition possesses significant deviations from the linear behavior, which are dependent of the nanostructure diameter. The conduction band offset is approximately zero and the valence band offset decrease regardless of diameter and composition of the heterostructure.
id UFSM_3be7df4a60756f748ca9227fcba687ce
oai_identifier_str oai:repositorio.ufsm.br:1/3895
network_acronym_str UFSM
network_name_str Manancial - Repositório Digital da UFSM
repository_id_str
spelling Estudo de primeiros princípios de nanofios em arseneto de índio e fosfeto de índioFirst principles study of indium arsenide and indium phosphide nanowiresNanofiosHeteroestruturas de nanofiosConfinamento quânticoTensões externasDopagemNanowiresNanowire heterostructuresQuantum confinementExternal stressDopingCNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::FISICAIn this work we used the density functional theory to study InAs and InP nanowires and InAs/InP nanowire heterostructures. Initially we studied the structural, electronic and mechanical properties of InAs and InP nanowires as a function of the diameter and the influence of external mechanical stress on the electronic properties of these systems. Our results show that all analyzed properties change with increasing quantum confinement. Further, the application of an external stress along the nanowire axis reveals a direct to indirect band gap transition for compressive strain in very thin nanowires. We have also studied the quantum confinement effects on the effective masses of charge carriers in InAs nanowires grown in different crystallographic directions. We found the electron and hole effective masses increase with decreasing diameter independently of the growth direction. However, in the range of the studied diameters, the hole effective mass is significantly smaller to the corresponding one at the bulk system. From the study of the stability and electronic properties of the cadmium and zinc doped InAs nanowires, we show that the Cd impurity prefers to be at the core region, whereas Zn impurity is found to be equally distributed along the nanowire diameter. The analysis of the electronic properties of these systems show that these impurities introduce shallow acceptor levels in the band gap, enabling a p-type behavior of these nanowires. Finally, we determined (i) the structural, electronic and mechanical properties of axially and radially modulated InAs/InP nanowire heterostructures for a specific diameter and (ii) the structural and electronic properties of radial InAs/InP nanowire heterostructures as a function of the diameter and composition. From (i), our calculations showed the analyzed properties have an intermediate value between those for the pure InAs and InP nanowires with similar diameters. In particular, the presence of an InP shell covering the InAs nanowires enhances the InAs electron mobility, as compared to the uncapped InAs nanowires. In addition, for the radial heterostructure, the conduction and the valence band alignments favor a type-I heterojunction, while for the axial heterostructure a transition from a type-I to a type-II heterojunction could occur at this range of diameters. From (ii), we observed that for nanowire heterostrutures of similar diameters, the variation of their structural and electronic properties with the composition possesses significant deviations from the linear behavior, which are dependent of the nanostructure diameter. The conduction band offset is approximately zero and the valence band offset decrease regardless of diameter and composition of the heterostructure.Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e TecnológicoNeste trabalho realizamos um estudo teórico, baseado na teoria do funcional da densidade, em nanofios de InAs e InP e em heteroestruturas de nanofios InAs/InP. Inicialmente estudamos a variação das propriedades estruturais, eletrônicas e mecânicas com o diâmetro em nanofios de InAs e InP, e as possíveis alterações nas propriedades eletrônicas destes sistemas sob a influência de uma tensão mecânica externa. Nossos resultados mostram que todas as propriedades analisadas são alteradas com o aumento do confinamento quântico. Além disso, a aplicação de uma tensão externa ao longo do eixo de crescimento dos fios leva a uma transição de gap direto para indireto nos nanofios de menores diâmetros. A seguir, avaliamos os efeitos do confinamento quântico na massa efetiva dos portadores de carga em nanofios de InAs crescidos em diferentes direções cristalográficas. Encontramos que as massas efetivas dos elétrons e dos buracos aumentam com a redução do diâmetro, independentemente da direção de crescimento dos nanofios. Contudo, no intervalo de diâmetro estudado, a massa efetiva dos buracos nos nanofios é significativamente menor do que a massa efetiva dos buracos no cristal. Do estudo da estabilidade e das propriedades eletrônicas de nanofios de InAs dopados substitucionalmente com cádmio e zinco observamos que, independentemente do diâmetro dessas nanoestruturas, as impurezas de Cd são mais estáveis quando estão no centro do nanofio, enquanto que as impurezas de Zn se distribuem quase que uniformemente ao longo do diâmetro do fio. Do ponto de vista eletrônico, observamos que estas impurezas introduzem níveis aceitadores rasos no gap de energia desses materiais possibitando um comportamento tipo-p desses nanofios. Por fim, determinamos: (i) as propriedades estruturais, eletrônicas e mecânicas de heteroestruturas axiais e radiais de nanofios InAs/InP para um determinado diâmetro; e (ii) as propriedades estruturais e eletrônicas de heteroestruturas radiais InAs/InP como uma função do diâmetro e da composição. Em (i), nossos resultados mostram que as propriedades analisadas possuem valores intermediários entre aqueles dos nanofios de InAs e InP de mesmo diâmetro. Em particular, observamos que a presença de uma camada de InP sobre nanofios de InAs aumenta significativamente sua mobilidade eletrônica quando comparada com a de um nanofio de InAs puro. Além disso, na heteroestrutura radial, o alinhamento das bandas de condução e das bandas de valência favorece uma heteroestrutura do tipo I, enquanto que na heteroestrutura axial, uma transição de uma heteroestrutura do tipo I para uma heteroestrutura do tipo II poderá ocorrer neste intervalo de diâmetros. Em (ii), para as heteroestruturas com diâmetros similares, observamos que a variação de suas propriedades estruturais e eletrônicas com a composição possui desvios significativos do comportamento linear, sendo estes dependentes do diâmetro dessas nanoestruturas. O descasamento da banda de condução é aproximadamente nulo enquanto que o descasamento da banda de valência diminui independente do diâmetro e da composição da heteroestrutura.Universidade Federal de Santa MariaBRFísicaUFSMPrograma de Pós-Graduação em FísicaPiquini, Paulo Cesarhttp://buscatextual.cnpq.br/buscatextual/visualizacv.do?id=K4782185U1Cotta, Monica Alonsohttp://buscatextual.cnpq.br/buscatextual/visualizacv.do?id=K4785556J2Nunes, Ricardo Wagnerhttp://buscatextual.cnpq.br/buscatextual/visualizacv.do?id=K4784191U0Fagan, Solange Binottohttp://buscatextual.cnpq.br/buscatextual/visualizacv.do?id=K4700282T5Santos, Cláudia Lange dos2017-05-042017-05-042011-07-29info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisapplication/pdfapplication/pdfSANTOS, Cláudia Lange dos. First principles study of indium arsenide and indium phosphide nanowires. 2011. 191 f. Tese (Doutorado em Física) - Universidade Federal de Santa Maria, Santa Maria, 2011.http://repositorio.ufsm.br/handle/1/3895ark:/26339/0013000008g46porinfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Manancial - Repositório Digital da UFSMinstname:Universidade Federal de Santa Maria (UFSM)instacron:UFSM2017-07-25T14:01:20Zoai:repositorio.ufsm.br:1/3895Biblioteca Digital de Teses e Dissertaçõeshttps://repositorio.ufsm.br/PUBhttps://repositorio.ufsm.br/oai/requestatendimento.sib@ufsm.br||tedebc@gmail.com||manancial@ufsm.bropendoar:2017-07-25T14:01:20Manancial - Repositório Digital da UFSM - Universidade Federal de Santa Maria (UFSM)false
dc.title.none.fl_str_mv Estudo de primeiros princípios de nanofios em arseneto de índio e fosfeto de índio
First principles study of indium arsenide and indium phosphide nanowires
title Estudo de primeiros princípios de nanofios em arseneto de índio e fosfeto de índio
spellingShingle Estudo de primeiros princípios de nanofios em arseneto de índio e fosfeto de índio
Santos, Cláudia Lange dos
Nanofios
Heteroestruturas de nanofios
Confinamento quântico
Tensões externas
Dopagem
Nanowires
Nanowire heterostructures
Quantum confinement
External stress
Doping
CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::FISICA
title_short Estudo de primeiros princípios de nanofios em arseneto de índio e fosfeto de índio
title_full Estudo de primeiros princípios de nanofios em arseneto de índio e fosfeto de índio
title_fullStr Estudo de primeiros princípios de nanofios em arseneto de índio e fosfeto de índio
title_full_unstemmed Estudo de primeiros princípios de nanofios em arseneto de índio e fosfeto de índio
title_sort Estudo de primeiros princípios de nanofios em arseneto de índio e fosfeto de índio
author Santos, Cláudia Lange dos
author_facet Santos, Cláudia Lange dos
author_role author
dc.contributor.none.fl_str_mv Piquini, Paulo Cesar
http://buscatextual.cnpq.br/buscatextual/visualizacv.do?id=K4782185U1
Cotta, Monica Alonso
http://buscatextual.cnpq.br/buscatextual/visualizacv.do?id=K4785556J2
Nunes, Ricardo Wagner
http://buscatextual.cnpq.br/buscatextual/visualizacv.do?id=K4784191U0
Fagan, Solange Binotto
http://buscatextual.cnpq.br/buscatextual/visualizacv.do?id=K4700282T5
dc.contributor.author.fl_str_mv Santos, Cláudia Lange dos
dc.subject.por.fl_str_mv Nanofios
Heteroestruturas de nanofios
Confinamento quântico
Tensões externas
Dopagem
Nanowires
Nanowire heterostructures
Quantum confinement
External stress
Doping
CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::FISICA
topic Nanofios
Heteroestruturas de nanofios
Confinamento quântico
Tensões externas
Dopagem
Nanowires
Nanowire heterostructures
Quantum confinement
External stress
Doping
CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::FISICA
description In this work we used the density functional theory to study InAs and InP nanowires and InAs/InP nanowire heterostructures. Initially we studied the structural, electronic and mechanical properties of InAs and InP nanowires as a function of the diameter and the influence of external mechanical stress on the electronic properties of these systems. Our results show that all analyzed properties change with increasing quantum confinement. Further, the application of an external stress along the nanowire axis reveals a direct to indirect band gap transition for compressive strain in very thin nanowires. We have also studied the quantum confinement effects on the effective masses of charge carriers in InAs nanowires grown in different crystallographic directions. We found the electron and hole effective masses increase with decreasing diameter independently of the growth direction. However, in the range of the studied diameters, the hole effective mass is significantly smaller to the corresponding one at the bulk system. From the study of the stability and electronic properties of the cadmium and zinc doped InAs nanowires, we show that the Cd impurity prefers to be at the core region, whereas Zn impurity is found to be equally distributed along the nanowire diameter. The analysis of the electronic properties of these systems show that these impurities introduce shallow acceptor levels in the band gap, enabling a p-type behavior of these nanowires. Finally, we determined (i) the structural, electronic and mechanical properties of axially and radially modulated InAs/InP nanowire heterostructures for a specific diameter and (ii) the structural and electronic properties of radial InAs/InP nanowire heterostructures as a function of the diameter and composition. From (i), our calculations showed the analyzed properties have an intermediate value between those for the pure InAs and InP nanowires with similar diameters. In particular, the presence of an InP shell covering the InAs nanowires enhances the InAs electron mobility, as compared to the uncapped InAs nanowires. In addition, for the radial heterostructure, the conduction and the valence band alignments favor a type-I heterojunction, while for the axial heterostructure a transition from a type-I to a type-II heterojunction could occur at this range of diameters. From (ii), we observed that for nanowire heterostrutures of similar diameters, the variation of their structural and electronic properties with the composition possesses significant deviations from the linear behavior, which are dependent of the nanostructure diameter. The conduction band offset is approximately zero and the valence band offset decrease regardless of diameter and composition of the heterostructure.
publishDate 2011
dc.date.none.fl_str_mv 2011-07-29
2017-05-04
2017-05-04
dc.type.status.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/publishedVersion
dc.type.driver.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/doctoralThesis
format doctoralThesis
status_str publishedVersion
dc.identifier.uri.fl_str_mv SANTOS, Cláudia Lange dos. First principles study of indium arsenide and indium phosphide nanowires. 2011. 191 f. Tese (Doutorado em Física) - Universidade Federal de Santa Maria, Santa Maria, 2011.
http://repositorio.ufsm.br/handle/1/3895
dc.identifier.dark.fl_str_mv ark:/26339/0013000008g46
identifier_str_mv SANTOS, Cláudia Lange dos. First principles study of indium arsenide and indium phosphide nanowires. 2011. 191 f. Tese (Doutorado em Física) - Universidade Federal de Santa Maria, Santa Maria, 2011.
ark:/26339/0013000008g46
url http://repositorio.ufsm.br/handle/1/3895
dc.language.iso.fl_str_mv por
language por
dc.rights.driver.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/openAccess
eu_rights_str_mv openAccess
dc.format.none.fl_str_mv application/pdf
application/pdf
dc.publisher.none.fl_str_mv Universidade Federal de Santa Maria
BR
Física
UFSM
Programa de Pós-Graduação em Física
publisher.none.fl_str_mv Universidade Federal de Santa Maria
BR
Física
UFSM
Programa de Pós-Graduação em Física
dc.source.none.fl_str_mv reponame:Manancial - Repositório Digital da UFSM
instname:Universidade Federal de Santa Maria (UFSM)
instacron:UFSM
instname_str Universidade Federal de Santa Maria (UFSM)
instacron_str UFSM
institution UFSM
reponame_str Manancial - Repositório Digital da UFSM
collection Manancial - Repositório Digital da UFSM
repository.name.fl_str_mv Manancial - Repositório Digital da UFSM - Universidade Federal de Santa Maria (UFSM)
repository.mail.fl_str_mv atendimento.sib@ufsm.br||tedebc@gmail.com||manancial@ufsm.br
_version_ 1847153367589060608